Quin és l'estrès tèrmic quantitatiu (MPa) desenvolupat en una paret d'escalfador de titani de 2,5 mm de gruix durant un apagat d'aigua de 95 graus a 20 graus?

Un enginyer de processos preocupat pel dany per xoc tèrmic a un escalfador de titani de paret gruixuda-(2,5 mm) després d'apagar aigua de 95 graus a 20 graus pot determinar l'estrès tèrmic quantitatiu creat a la paret a partir de l'equació d'estrès tèrmic per a un tub que es refreda ràpidament. La tensió tèrmica màxima (σ th ) es produeix a la superfície interior (suposant un refredament ràpid des de l'exterior) i ve donada per: σ th=E × × T Δ 1 − vf( ) On E és el mòdul elàstic (110 GPa), és el coeficient d'expansió tèrmica (8,6 × 10 -6}} / grau és el canvi de temperatura), (T 7 ν / grau és el canvi de temperatura), La relació de Poisson (0,34) i f() és un factor de geometria que depèn del nombre de Biot (taxa de refredament). Per a un tub de paret gruixuda (t=2.5 mm, OD=25 mm) apagat en aigua (h=1,000-5.000 W/m²K, nombre Biot > 10) f() ≈ 1,0 (xoc tèrmic complet). L'estrès tèrmic calculat és σ_th=(110 × 10 9 × 8,6 × 10 6 × 75) / (1 − 0,34)=(110e9 × 6,45e-4) / 0.66=(71 × 10 6) / {{38}9} / {{a. Aquesta tensió és al voltant del 39 per cent de la resistència elàstica (275 MPa) i el 54 per cent de la resistència a la tracció màxima (345 MPa). El trencament per fatiga tèrmica es pot induir per xocs tèrmics repetits (100-1.000 cicles) a tensions per sota del límit elàstic.

Mecanisme de formació de tensions tèrmiques durant l'extinció
Si un tub calent de titani es submergeix en aigua freda, la superfície exterior es refreda i es comprimeix ràpidament. La superfície interior, restant calenta, s'oposa a aquesta contracció, posant la superfície exterior en tensió i la superfície interior en compressió (per a un tub refredat des de l'exterior). Per a coeficients de transferència de calor elevats (h > 5.000 W/m²K), la diferència de temperatura a través del gruix de la paret pot ser de 30-50 graus per a una paret de 2,5 mm durant els primers segons d'extinció. L'estrès tèrmic està relacionat amb la diferència de temperatura instantània a través de la paret, i és màxim a uns 0,3-0,5 $\\times$ $\\Delta T_{total}$. Els 108 MPa calculats són l'estrès màxim durant l'extinció. Si es supera el límit elàstic, es produeix una deformació plàstica i es produeixen tensions de tracció residuals després del refredament, augmentant la susceptibilitat a la fissuració per corrosió per tensió.

Quantificació de l'estrès tèrmic com a funció del gruix de la paret i la gravetat de l'extinció
Gruix de la paret t (mm) Temps mitjà Coeficient de transferència de calor h (W/m 2 K) ΔT màxim a través de la paret (graus) Tensió tèrmica (MPa) % de rendiment (275 MPa) Perill de deformació plàstica
1,5 Aigua tranquil·la (suau) 500 15 22 8%Cap 1,5 Aigua agitada 2,000 30 43 16% Cap
1,5 Aparat (aigua freda) 5,000 45 65 24% Cap
2,0 Aparat (aigua freda) 5,000 55 79 29% Cap 2,5 Aparat (aigua freda) 5,000 65 108 39% Cap (elàstic)
3.0 Temps (aigua freda) 5,000 75 125 45% Cap (elàstic)
2,5 Aigua gelada (0 graus, ΔT=95 graus) 10,000 85 140 51% A prop del rendiment
3,0 Aigua gelada (0 graus) 10000 100 165 60% És probable que hi hagi deformació plàstica
Una guia basada en escenaris-per a la gestió del xoc tèrmic
Condicions de funcionament i tipus d'apagada Gruix de paret (mm) Tensió tèrmica (MPa) Risc d'esquerdes Acció recomanada:
Apagada normal, refrigeració per aire (lent) 1,5-3,0 < 10 ResSense problemes
Apagada normal, esbandida amb aigua (calenta) 1.5-2.0 20-40 Cap acceptable
Apagada d'emergència (aigua freda, una-vegació) 2.5 108 Baixa (una-vegació) Acceptable. Comprovació posterior a l'esdeveniment.
Temps d'emergència (aigua gelada, incident únic) 2.5 140 Moderat (pot cedir localment) Traieu l'escalfador per examinar-lo. Comprovació de deformació.
2.5 108 Moderate (fatigue) Increase quench temperature (warm water) Repeated thermal cycles (>100) amb apagada d'aigua Velocitat de refrigeració reduïda.
Temps freqüent (diari) Qualsevol > 2,0 > 100 Alt (esquerda per fatiga) Utilitzeu un refredament en rampa (velocitat controlada) en lloc de l'extinció.
Quench from high temperature (>150 graus ) 2,5 > 200 Sever No s'aconsella. Utilitzeu un refredament lent o una altra substància.
Mitigació de l'enginyeria de l'estrès tèrmic induït per l'extinció-
L'extinció tèrmica és inevitable en escalfadors de titani de paret gruixuda-, però hi ha tres mitigacions que ajuden a reduir l'estrès tèrmic. La primera mitigació és l'ús d'aigua tèbia (40-50 graus vs. 20 graus). La reducció de ΔT de 75 graus a 45 graus redueix l'estrès tèrmic de 108 MPa a 65 MPa (reducció del 40%), l'estrès molt per sota del rendiment. La segona mitigació és utilitzar aigua tranquil·la en lloc d'aigua agitada (h=500 W/m2K en lloc de 5.000) per augmentar el temps d'extinció. El coeficient de transferència de calor reduït redueix el gradient de temperatura a través de la paret, reduint la tensió màxima a 22 MPa per a una paret de 2,5 mm. La tercera mitigació és el refredament previ de l'escalfador a l'aire abans de l'extinció de l'aigua. El refredament a l'aire de 95 graus a 60 graus (10 min) seguit de l'extinció redueix ΔT de 75 graus a 40 graus i, per tant, l'estrès tèrmic.

Conclusion: 2.5 mm Titanium Wall Sees 108 MPa Thermal Stress During 95 C ->20 C Apagat
Una paret d'escalfador de titani de grau 2 de 2,5 mm de gruix experimenta un estrès tèrmic quantitatiu d'uns 108 MPa durant un apagat d'aigua de 95 graus a 20 graus amb un coeficient de transmissió de calor de 5.000 W/m2K (aigua agitada). Aquesta tensió és el 39% de la resistència elàstica del material (275 MPa) i el 54% de la resistència a la tracció màxima (345 MPa). La tensió encara es troba en el rang elàstic de manera que un sol apagat no generarà deformació plàstica o fallada ràpida. Els apagats de calor repetits (100-1.000 cicles) poden induir esquerdes per fatiga tèrmica, especialment en soldadures, rascades o altres concentradors d'estrès. Es recomanen aigua tèbia (40-50 graus), refredament moderat en aigua tranquil·la i refrigeració prèvia per aire abans de l'extinció per millorar la vida útil de l'escalfador. Quan es necessita un apagat freqüent, reduir el gruix de la paret a 1,5-2,0 mm redueix l'estrès tèrmic a 65-79 MPa, dins del rang elàstic segur.